پلاسمای جفت شده القایی- طیف­ بینی جرمی، ICP-MS

اخیراً طیف­ سنج پلاسمای جفت شده­ القایی را به طیف­ سنج جرمی یا MS وصل کرده و دستگاهی به نام ICP-MS در دسترس شیمی­دان­ های تجزیه­ ای قرار گرفته است. این دستگاه برای تجزیه مقادیر ناچیز فلزات در نمونه­ های زمین­ شناسی، به ­ویژه برای اندازه­ گیری عناصر خاک­های نادر یا REEs به­ طور روزمره، بسیار متداول شده است. ذکر این نکته ضروری است، که در دستگاه ICP-MS، در قسمت ICP نمونه به یون­ها تبدیل می ­شود، سپس این یون­ها در قسمت طیف­ سنج جرمی MS برحسب نسبت جرم به بارشان (m/z) از یکدیگر تفکیک شده و یکی بعد از دیگری (به ترتیب از یون دارای جرم­ سبک تا یون دارای جرم­ سنگین)، به آشکارساز رسیده و نوع و غلظت آن­ها تعیین می­ شود. در نتیجه، چون یون­ها به صورت مجزا به آشکارساز رسیده و تعیین  می ­شوند، مزاحمتی برای اندازه­ گیری یکدیگر ندارند. لذا، حدّ تشخیص در این روش بسیار کمتر و مطلوب است.

حدّ تشخیص روش­های طیف ­بینی اتمی

حدّ تشخیص روش­های طیف­ بینی جذب و نشر اتمی برحسب میکروگرم برلیتر یا ppb برای برخی از عناصر در جدول (۱) آورده شده است. از داده ­های این جدول مشخص می ­شود که روش ICP-MS نسبت به سایر روش­های طیف­ بینی اتمی حدّ تشخیص کمتری دارد، یعنی برای تجزیه مقادیر فراناچیز روش مناسب­ تری است. از طرف دیگر، روش طیف­ بینی ICP-OES قادر به اندازه ­گیری برخی از غیرفلزات نیز هست، درحالی­که سایر روش­های طیف­ بینی اتمی برای اندازه ­گیری فلزات در نمونه ­های مختلف و از جمله نمونه ­های زمین شناسی مناسب هستند. از میان روش­های جذب اتمی، روش جذب اتمی با اتم­ساز کوره گرافیت یا GFAAS برای اکثر عناصر حدّ تشخیص مناسب­ تری دارد. به ­طوری که برای مثال، برای اندازه ­گیری آلومینیوم ۵۰۰ برابر حدّ تشخیص بهتر از روش جذب اتمی شعله ­ای یا FAAS است.

برای اتصال پلاسمای جفت شده القایی به طیف­ سنج جرمی، یون­های ایجاد شده در پلاسما از طریق یک سری مخروط­ها تفکیک و به درون طیف ­سنج جرمی با تجزیه ­گر معمولاً چهار قطبی، (شکل ۱) وارد می­ شوند. یون­ها بر اساس نسبت جرم به بارشان (m/z یا m/e) تفکیک شده و به آشکار­ساز می ­رسند. علامت ایجاد شده در آشکارساز با غلظت یون­ها متناسب است. غلظت اجزای تشکیل دهنده نمونه از طریق مقایسه با مواد مرجع معتبر، مانند استانداردهای مرجع تک عنصری یا چند عنصری تعیین می ­شود. دستگاه ICP-MS برای تعیین مقدار ایزوتوپ­های پرتوزا از طریق روش رقیق­ سازی ایزوتوپی استفاده می­ شود.

سایر تجزیه­ گر­های جرمی، مانند سیستم تمرکز دوگانه (شکل ۲) و زمان پرواز (هم با شتاب ­دهنده محوری و هم با شتاب­ دهنده عمودی) برای اتصال به ICP استفاده می­ شوند. در همه این دستگاه­ها، از آشکار­سازهای انفرادی و چندتایی استفاده می­ شود. طیف­ سنج­های دیگری از ترکیب باICP  مانند پلاسمای جفت شده القایی- طیف­سنج نشر اتمی (ICP-AES) و ICP-MS چند جمع­ کننده (MC-ICP-MS) ساخته شده­ است.

جدول ۱٫ حدّ تشخیص (^۱-μg L) برخی از عناصر با روش­های مختلف طیف­ بینی اتمی در ۳ برابر انحراف استاندارد.

شکل ۱- طرحی از دستگاه ICP-MS  با طیف­ سنج جرمی چهار قطبی.

شکل ۲- طرحی از دستگاه ICP-MS با تمرکز دوگانه، استفاده از میدان­های مغناطیسی و الکتریکی).

کاربردهایی از ICP-MS

تجزیه عنصری: انداز­ه گیری عناصر با جرم اتمی ۷ تا ۲۵۰ با ICP-MS  امکان­ پذیر است (از لیتیوم تا اورانیوم). اندازه ­گیری برخی از عناصر با جرم­های ۴۰ (به علت وجود آرگون در نمونه)، ۸۰ (به علت تشکیل دیمر آرگون) و ۵۶ (به علت تشکیل ArO) با مشکل رو به رو است. با دستگاه ICP-MS  عناصر را با غلظت نانوگرم بر لیتر (ppt) تا ۱۰۰ میکرو­گرم بر لیتر (ppb) می ­توان اندازه گرفت. بر خلاف طیف­ سنجی جذب اتمی، که عناصر را فقط به صورت انفرادی اندازه می ­گیرد،  طیف­ سنج ICP-MS توانایی اندازه­ گیری همزمان همه عناصر را دارد. همین امر تجزیه عنصری کامل (از لیتیوم تا اورانیوم) را با دستگاه طیف­ سنج ICP-MS به طور سریع میسّر می­ کند و باعث شده است که برای تجزیه نمونه ­های زمین­ شیمیایی بسیار مناسب باشد.

تجزیه نمونه­ های زمین­ شناختی: برای تجزیه کمّی اجزای تشکیل دهنده نمونه ­های جامد کوچک، روش پلاسمای جفت شده القایی متصل به طیف­ سنج جرمی با اتمی­ کننده افروزش لیزری (LA-ICP-MS) رایج شده است. نمونه ­هایی مانند فلزات گرانبها، نمونه­ های زمین ­شیمیایی، مدارک صحنه جرم، پلاستیک­ ها و آثار باستانی با این روش تجزیه می شود. در همه حالت­ها، نمونه محدودی در دسترس است و روش­های آماده­ سازی نمونه که مخرب­ است، مانند هضم نیاز نیست. بنابراین، دستگاه LA-ICP-MS، زمانی برای آماده سازی نمونه نیاز ندارد و نمونه ­های پیچیده ­ای مانند فلزات، شیشه و نمونه­ های پیچیده زمین­ شناسی و مانند آن را می ­توان با این روش تجزیه کرد.

اندازه­ گیری عناصر خاکی کمیاب با LA-ICP-MS : عناصر خاکی کمیاب (REEs) در میان فلزات واسطه درونی قرار دارند و نقش بسیار مهّمی برای درک تحولات زمین­ شناختی سنگ­ ها و کانسنگ­ ها دارند، لذا تجزیه دقیق و صحیح آن­ها برای مطالعات زمین­ شناختی از اهمیّت ویژه ­ای بر­خوردار است. روش ­های متداول برای اندازه­ گیری عناصر خاکی کمیاب (REEs)، تجزیه فعال­سازی نوترونی دستگاهی (INAA)، فلوئورسانس پرتوایکس پخش کننده انرژی و پخش کننده طول موج (XRF)، پلاسمای جفت شده القایی- طیف­ سنجی نشر اتمی (ICP-AES) و ICP-MS است. روش ICP-MS، ابزاری بسیار دقیق، صحیح و سریع برای تجزیه عناصر خاکی کمیاب است. برای تجزیه با روش ICP-MS نمونه باید با روش مناسبی (حل در مخلوط اسیدها یا ذوب با لیتیوم بورات) حل شود. به منظور انجام دادن سریع تجزیه نمونه ­های زمین­ شناختی از جمله تجزیه عناصر خاکی کمیاب، روش افروزش لیزری با دستگاه ICP-MS ترکیب شده است.

از مزایای روش افروزش لیزری می ­توان به حذف خطاهای ناشی از رقیق کردن نمونه ­ها، به حداقل رساندن مصرف مواد شیمیایی، کاهش آلوده کننده ­های نمونه که ممکن است در مرحله انحلال وارد شود و کاهش مزاحمت­ های طیفی ناشی از یون­های چند اتمی اشاره کرد. این روش برای تجزیه کانی­های مقاوم که به سهولت حل نمی­ شوند و عناصر فرّار مفید است. هم­چنین برای تجزیه نقاط کوچک و گزینشی سطح نمونه­ ها، روش مناسبی است و لذا در مجموعه روش­ های تجزیه سطوح نیز قرار می ­گیرد. بنابراین، یکی از روش های مناسب برای تجزیه نمونه­ های زمین­ شناختی و زیست­ محیطی، روش LA-ICP-MS است، زیرا آماده­ سازی نمونه بسیار ساده است. دامنه دینامیکی روش بسیار وسیع است و حساسیّت آن برای بیشتر عناصر زیاد است.

منبع: کتاب روشهای آنالیز دستگاهی، تألیف دکتر محمود پایه قدر- دکتر جواد مقدسی

روش‌های آنالیز دستگاهی (کارشناسی ارشد زمین‌شناسی)

استفاده از مطالب با ذکر منبع بلامانع است